1測試背景
USB總線自面世第一代開始,就對電氣性能的要求特別高,特別是信號完整性。隨著USB總線的不斷升級,速率也是成倍的增長,從當(dāng)年USB1.0的1.5Mbps,到后來的USB1.1的12Mbps,USB2.0的速率達(dá)到了480Mbps,USB3.0 Super Speed規(guī)范發(fā)布的時(shí)候已經(jīng)高達(dá)5Gbps,在2015年,USB-IF協(xié)會更是發(fā)布了速率為10Gbps的USB3.1版本。如此高的速率對于設(shè)計(jì)中任何一點(diǎn)的瑕疵都是難以接受的,比如電源干擾、布線過長、線纜、連接器品質(zhì)不好等等。USB版本的升級,不僅僅是信號速率的提升,原本只有一組信號線,也在USB3.0之后也增加到了三組信號線,信號的幅值也變得更低。這些綜合在一起因素給產(chǎn)品硬件工程師在設(shè)計(jì)和測試驗(yàn)證時(shí)帶來了非常大的挑戰(zhàn)。
2 USB3.0簡單的原理框圖
圖1USB3.0簡單的原理框圖
USB3.0又稱為SuperSpeed USB總線,與高速(High Speed)USB2.0總線相比,為了達(dá)到總線對USB2.0/1.1/1.0的向下兼容,總線保留了USB2.0信號線(D+,D-,Vbus,GND),同時(shí)增加了兩對USB 3.0超高速差分信號(SSTX+,SSTX-,SSRX+,SSRX-),一組差分對用來發(fā)射信號,另一組接收信號,從而實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸,USB3.0信號傳輸速率達(dá)到5Gbps;電流最大達(dá)到900mA;在EMC方面,為了達(dá)到降低EMI的影響,增加了SSC(擴(kuò)頻時(shí)鐘)功能。
3測試系統(tǒng)搭建和介紹
任何測試系統(tǒng)的搭建都是以測試目的為導(dǎo)向的,在測試之前一定要明確測試的目的。對于完整的USB3.0信號完整性測試,需要對TX端和RX端都進(jìn)行完整的測試,但是對于大多數(shù)廠商來講,可能只能完成基本的TX端測試。我們這個(gè)測試也只對TX端進(jìn)行測試,所以測試的系統(tǒng)就是一臺示波器、DUT、測試夾具和測試線纜。如下所示:
圖2測試系統(tǒng)
示波器:Keysight Infiniium DSO90804A,帶寬為8GHz,采樣率為40GSa/s;
測試夾具:Keysight U7242-66501 USB3.0 test fixture
線纜:18GHz SMA頭的線纜
測試軟件:KeysightU7243B USB3 Test App
Keysight的USB 3.0 發(fā)送端一致性測試軟件U7243A可以支持嵌入(Embed)、去嵌入(De-embed)的功能,這對研發(fā)工程師的作用非常大。在軟件中還直接內(nèi)置提供Host和Device的一致性通道傳遞函數(shù),可以嵌入一致性通道模型,完成對一致性測試的要求,這主要體現(xiàn)在包含了測試過程中加入了長通道和短通道的S參數(shù)在其中,這時(shí)不管你是做的Host端的產(chǎn)品還是Device端的產(chǎn)品,只要在測試時(shí)選擇對應(yīng)參數(shù)即可代表真實(shí)的使用情況。這樣也符合一致性測試規(guī)范。
4測試過程
Keysight示波器對于USB3.0這類接口的測試都有非常完善的測試解決方案,這些方案都是標(biāo)準(zhǔn)流程化的,只要進(jìn)入到軟件測試界面即可按照流程圖一步一步的往下進(jìn)行測試。下面是測試時(shí)的相關(guān)設(shè)置和注意事項(xiàng):
在測試前,首先要預(yù)熱、校準(zhǔn)示波器(大約20分鐘)、線纜需要做de-skew。這一步非常的關(guān)鍵,特別是線纜做de-skew,因?yàn)楹芏鄷r(shí)候線纜與線纜之間有一些偏差,如果不做de-skew就會導(dǎo)致在差分信號的正端和負(fù)端引入系統(tǒng)誤差。
然后就開啟測試USB3.0軟件U7243B USB3Test App,如下所示:
圖3開啟測試軟件
接著就是設(shè)置DUT類型、速率、夾具和測試分析模式,由于DUT是device,所以在Device一欄選擇Device;USB3.0的速率為5G;測試的夾具分為了兩類,一類是USB-IF協(xié)會的,另一類就是keysight(Agilent)的,在這里選擇的是keysight(Agilent)的測試夾具;另外一個(gè)非常關(guān)鍵的點(diǎn)就是Test Method,是否選用USB-IF SigTest的分析方法,通常,我們會選擇使用;選擇參考時(shí)鐘,一般高速串行信號都會選用SSC模式;還要根據(jù)產(chǎn)品使用。
圖4 keysight示波器設(shè)置界面
選擇測試項(xiàng)目,一般情況,工程師都會選擇全部測試項(xiàng),這樣才能最完整的按照規(guī)范要求進(jìn)行測試,當(dāng)然,這也要看測試目的,如果只是debug,那么可以選擇相對應(yīng)的選項(xiàng)即可,這樣可以節(jié)約測試時(shí)間。具體操作如下圖所示:
圖5選擇測試項(xiàng)目
配置測試條件。一般使用默認(rèn)設(shè)置,常用的調(diào)整配置item有:使用的示波器通道,測試碼型,測試的UI數(shù),自動切換測試碼型。如下圖所示:
圖6配置測試條件
連接測試系統(tǒng),包含示波器、夾具和DUT。測試軟件會指示工程師的每一步連接,連接完成后,這里要注意,在連接完成之前,左下角的顏色是黃色的,連接完成之后,勾選’ I have completed theseinstructions’,就會變成綠色。如下兩圖所示:
圖7連接測試系統(tǒng)
圖8連接完成后
最后,單擊Run test。軟件會自動開始測試,但是要隨時(shí)注意軟件的提示,按提示進(jìn)行一些觸發(fā)動作等等。
斷開被測件和夾具,然后重啟被測件,完成這兩個(gè)操作后,點(diǎn)擊OK。
圖9重啟DUT
將被測件接入夾具,觀察示波器是否捕捉到參考波形,如參考波形和示波器顯示波形相同,點(diǎn)擊成這兩個(gè)操作后,點(diǎn)擊OK
圖10 測試TP0
完成LFPS信號測試后,軟件提示更改連接,注意:此時(shí)提示連接夾具的’SSRX+‘和示波器的AUX OUT。
測試完成之后軟件會自動生成報(bào)告,如下為部分測試報(bào)告內(nèi)容:
圖11測試報(bào)告內(nèi)容
在報(bào)告中包含了測試的結(jié)果、波形和眼圖以及SSC相關(guān)內(nèi)容。對測試項(xiàng)也有比較清晰的說明,這非常有利于理解測試報(bào)告以及問題的分析。
5問題描述和結(jié)果分析
由于這個(gè)項(xiàng)目在上一版本的時(shí)候是沒有任何問題的,所以在新版本生產(chǎn)好之后沒有及時(shí)的對USB接口進(jìn)行測試,當(dāng)在產(chǎn)線上進(jìn)行系統(tǒng)測試時(shí),發(fā)現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的讀取不到device。然后分析USB口的電源和信號完整性是否滿足設(shè)計(jì)要求,測試之后發(fā)現(xiàn),電源是沒有問題的,但是USB3.0的信號完整性確實(shí)存在問題,測試眼圖如下:
圖12原始眼圖
從眼圖分析,出現(xiàn)了眼圖壓到內(nèi)模板。出現(xiàn)這種情況首先想到的就是另外再測試其他的產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是一樣;接著就考慮是鏈路上的損耗是否變大?由于CPU芯片、連USB連接器和PCB材料都使用的是相同的物料,唯一改變的物料就是共模電感。上一版本的共模電感為M公司的物料,為了降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本,新版本使用的是Y公司的物料,有可能問題就出現(xiàn)在這顆物料上。
不同點(diǎn)找到之后,要求Y供應(yīng)商提供物料的S參數(shù),然后對比兩家的參數(shù)如下:
圖13對比兩家物料的S參數(shù)(使用Keysight公司的仿真軟件ADS)
從對比結(jié)果上分析,很顯然Y公司的物料與M公司的物料存在很大的差異性,在頻率為一開始就差距很大,Y公司的物料在3.778GHz時(shí)有一個(gè)比較大的諧振點(diǎn),損耗降到了-6dB以下,而M公司的物料損耗一直都保持在-3dB以上,顯然,用在電路上會有一個(gè)非常大的差異。通過更換物料之后,再進(jìn)行信號完整性測試,眼圖如下:
圖14改善后的眼圖
對比兩個(gè)眼圖的參數(shù),發(fā)現(xiàn)結(jié)果得到很大的改善。再進(jìn)行系統(tǒng)測試,插拔100次都沒有再出現(xiàn)讀取不到device的現(xiàn)象。
6總結(jié)
在這個(gè)項(xiàng)目中,由于硬件研發(fā)工程師在換物料之后,沒有及時(shí)的告知相關(guān)部門進(jìn)行可靠性和電氣性能的評估,單純從數(shù)值上就確定使用物料,這就導(dǎo)致了USB3.0口無法正常讀取到device。在通過使用Keysight的一系列的硬件和軟件工具驗(yàn)證之后,最終問題得以找到點(diǎn),并解決。
審核編輯 :李倩
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